胡明意 喻安紅
(安鋼集團永通球墨鑄鐵管有限責任公司)
摘要 分析了安鋼集團永通鑄管公司煉鐵高爐高比例球團礦入爐后的不利狀況；通過實踐研究高比例球團礦入爐適宜的高爐冶煉制度、優(yōu)化高爐操作，豎爐生產(chǎn)高MgO球團礦，改善燒結(jié)礦冶金性能等措施，實現(xiàn)35～48%球團礦(R2=0.25)入爐爐況改善、煤氣利用合理，煉鐵技術(shù)經(jīng)濟指標提高明顯。
關(guān)鍵詞 高爐操作 高比例 高MgO球團礦
0 前言
近年來隨著國內(nèi)球團礦產(chǎn)量大幅增加，不僅中小型高爐煉鐵普遍使用球團礦，大型高爐也加大了球團礦的入爐比例。國內(nèi)高爐煉鐵入爐酸性氧化球團礦比例一般為20%左右，再增加則容易出現(xiàn)高爐爐況難行，只有少數(shù)煉鐵企業(yè)達到30%以上入爐比例。而從世界先進的高爐煉鐵爐料結(jié)構(gòu)看，增加球團礦用量是國內(nèi)外煉鐵高爐爐料結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢。國內(nèi)外的理論研究和生產(chǎn)實踐表明：球團礦作為良好的高爐爐料，具有品位高、強度好、易還原、粒度均勻等優(yōu)點，酸性球團礦與高堿度燒結(jié)礦搭配的爐料結(jié)構(gòu)較為理想[1]，利于冶煉時爐內(nèi)形成合理的軟熔帶，煤氣利用好，爐況改善，適宜冶煉低硅生鐵；進而實現(xiàn)高爐增產(chǎn)節(jié)能、提高經(jīng)濟效益。
1 概況
永通鑄管公司煉鐵車間現(xiàn)有兩座450 m3高爐。由于淘汰原有4×100 m3煉鐵高爐進行裝備升級時沒有新建燒結(jié)機，燒結(jié)機擴容改造后抽風面積仍較小，燒結(jié)礦產(chǎn)量低造成入爐煉鐵比例長期偏低。一般情況下燒結(jié)礦入爐比例為60%～65%，球團礦入爐比例為35%～40%，兩座高爐勉強維持運行。當出現(xiàn)煉鐵產(chǎn)量提高或燒結(jié)礦產(chǎn)量偏低等情況，入爐球團礦比例被迫超過45%時，高爐就會出現(xiàn)嚴重憋風、崩料、塌料現(xiàn)象，爐況很差，甚至形成管道行程,造成高爐爐涼。雖然采取各種措施，高比例球團礦高爐操作仍未取得實質(zhì)性突破，燒結(jié)礦不足嚴重制約著兩座高爐的生產(chǎn)能力發(fā)揮。永通鑄管公司煉鐵生產(chǎn)陷入迵境，必須采取措施來改變這一不利狀況。
2 高比例球團礦入爐初期爐況及分析
2.1 高比例球團礦入爐致使爐況難行
1)兩座高爐都出現(xiàn)明顯的憋風現(xiàn)象，懸料、崩塌料多，頻繁出現(xiàn)管道行程等狀況。 在大幅度提高球團礦入爐比例的最初階段，兩座高爐都出現(xiàn)明顯的憋風現(xiàn)象，懸料、崩塌料增多，頻繁出現(xiàn)管道行程，甚至造成高爐大涼，被迫降低球團礦比例至35%以下，降低冶煉強度，爐況才能逐漸轉(zhuǎn)順。
2)爐內(nèi)煤氣流的穩(wěn)定性很差。 球團礦的堆比重較大，同樣批重下礦石的體積較小，滾動性較好，定位性差，容易導致礦石分布不均勻；球團礦在布料流槽中的摩擦系數(shù)小，布料達不到預期效果，易造成邊緣和中心氣流同時阻塞，煤氣流的穩(wěn)定性降低；且球團礦存在軟熔溫度低和還原膨脹等特點，導致爐內(nèi)壓差升高，高爐爐內(nèi)透氣性很差，在高比例生產(chǎn)時該特性尤為突出。
2.2 普通豎爐酸性球團礦質(zhì)量差、粉末多影響爐況順行
1)球團礦品位低、SiO2 含量高，抗壓強度低。球團礦低品位、高SiO2 含量導致的煉鐵高渣比，影響高爐的產(chǎn)量和焦比；而球團礦抗壓強度低易產(chǎn)生爐內(nèi)粉末惡化爐內(nèi)料柱透氣性，對高爐生產(chǎn)造成不利影響。
2)普通酸性豎爐球團礦冶金性能差。表現(xiàn)在普通豎爐酸性球團礦的軟熔溫度偏低，致使爐內(nèi)軟融帶厚度增加，影響高爐透氣性；低溫還原膨脹性能會導致高爐塊狀帶透氣性變差。以往高爐煉鐵實驗數(shù)據(jù)表明，高爐煤氣在爐內(nèi)軟熔帶的阻力損失約占整個料柱的20%～30%，酸性高MgO球團礦爐料具有高品位和冶金性能改善雙重作用，能夠大大降低高爐內(nèi)軟熔帶的位置和厚度，改善了熔融帶的透氣性[2]，實現(xiàn)高爐順行和提高煤氣利用率。
2.3 燒結(jié)礦產(chǎn)量低、還原粉化率高嚴重影響高爐操作穩(wěn)定性
1)燒結(jié)機產(chǎn)能嚴重不足。 燒結(jié)礦產(chǎn)量低造成入爐煉鐵比例長期偏低，高比例球團礦入爐后經(jīng)常出現(xiàn)：燒結(jié)礦緊張→提高球團礦比例→高爐爐況失常→降低球團礦比例→燒結(jié)礦又緊張的惡性循環(huán)，造成高爐操作很不穩(wěn)定，很難保持爐況長時間順行，上部經(jīng)常結(jié)瘤，更談不上指標的優(yōu)化。適當提高燒結(jié)礦產(chǎn)量以滿足煉鐵增產(chǎn)需要是必須解決的問題。
2)燒結(jié)礦低溫還原粉化率高。燒結(jié)礦強度差、粉末多，MgO含量偏低、低溫還原粉化率高，對高爐爐況順行穩(wěn)定造成不利影響，冶金性能指標需要進一步改善。
3 高比例球團礦入爐后鐵前系統(tǒng)改進措施
針對以上不利狀況，要在高球團礦入爐比例爐料結(jié)構(gòu)條件下獲得良好的煉鐵技術(shù)經(jīng)濟指標，一方面要努力優(yōu)化高爐操作，改進高爐冶煉制度；另一方面要提高球團礦抗壓強度，努力改善球團礦冶金性能，降低還原膨脹性；還要提高燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量，改善低溫還原粉化率等冶金性能指標。
3.1 改進冶煉制度、優(yōu)化高爐操作
1)制定適宜的裝料制度。球團礦滾動性好，自然堆角小，僅24 °～27 °，而燒結(jié)礦自然堆角為31 °～35 °。提高球團比例后，礦石的布料軌跡發(fā)生變化，落抵料面后，容易向邊緣和中心滾動，造成邊緣和中心煤氣流同時阻塞，引起高爐難行。我們探索新的布料模式，尋求指標優(yōu)化的布料矩陣，裝料制度上適當縮小外環(huán)礦石的α角，增大內(nèi)環(huán)礦石的α角，根據(jù)需要調(diào)整各環(huán)上的布礦圈數(shù)，必要時采用中心加焦，保持中心氣流開放，邊緣氣流穩(wěn)定，消除煤氣流“兩頭堵”的現(xiàn)象。
2)適當配加焦丁和塊礦。配加焦丁和塊礦既是低成本冶煉的需要，也是抑制球團滾動性的有效措施，利于保持爐料的合理分布。同時焦丁的配加也改善礦石層的透氣性，減小礦石層的堆比重，增大礦石層的體積，利于礦石層的均勻分布，對改善塊狀帶透氣性、抑制管道行程、提高煤氣利用率非常有利。
3)縮小風口面積。在高爐送風量不變的情況下,縮小幾個風口的面積,各風口速度均會增加,縮小面積的風口風量會明顯減少,風量的減少會導致回旋區(qū)產(chǎn)生的煤氣量明顯減少,使得邊緣煤氣流減弱，從而可以抑止這些風口附近邊緣氣流的發(fā)展，同時使其它風口的邊緣和中心氣流都有所增加，利于改變爐內(nèi)煤氣流的分布，解決煤氣流中心邊緣“兩頭堵”的狀況，實現(xiàn)爐缸中心活躍，爐內(nèi)煤氣流合理分布，改善煤氣利用率。2011年～2014年高爐風口面積變化如圖1所示。
4)增加風口長度。針對高球團礦比例的爐料結(jié)構(gòu)容易導致中心堆積的特點，結(jié)合風口面積縮小后高爐容易出現(xiàn)的狀況，分別對1號、2號高爐的部分風口進行了加長改造，由原來的360 mm加長到了420 mm。如果說縮小風口面積有利于邊緣煤氣流減弱，抑止這些風口附近邊緣氣流的發(fā)展，同時使其它風口的邊緣和中心氣流都有所增加。那么增加風口長度就完全有利于中心氣流的發(fā)展，增加風口長度，風口燃燒區(qū)向中心移動，加大回旋區(qū)的水平距離，使爐缸中心的死料柱被吹活，爐缸中心氣流分布更合理，利于提高高爐的脫硫能力，使爐內(nèi)反應更充分。
5)實現(xiàn)高風溫操作。熱風帶入的熱量占高爐總熱量的25%～30%，高風溫特別有利于提高生鐵的屋里溫度，保持爐缸活躍，利于降低焦比，減少噸鐵SiO2帶入量；高風溫操作同樣也可降低軟融帶厚度，緩解球團礦還原膨脹和軟熔溫度偏低造成料柱透氣性變差，對爐況順行、低硅冶煉和降低能耗非常有利。通過技能培訓提高職工高風溫操作水平、完善熱風爐空氣與煤氣預熱工藝、改進直吹管工藝設計等措施，兩座高爐的使用風溫最高達到了1130 ℃。
6)實現(xiàn)高頂壓操作。高比例球團礦入爐后，礦石堆比重增加，單位重量礦石體積較小，容易出現(xiàn)爐料分布不均引起管道行程；采用大礦批又會因球團礦的還原膨脹率高和軟熔性能差導致料柱透氣性變壞。探索出適宜的礦石批重，通過高頂壓操作來抑制管道行程，是高球團比例入爐后必須堅持的高爐操作方針。實踐證明,采用高壓操作有利于提高冶煉強度,促進高爐順行；可以降低爐頂煤氣流速，減少了爐塵吹出量, 對降低燃料比和生產(chǎn)成本有利。同時還可以利用煤氣壓差發(fā)電,實現(xiàn)能源循環(huán)利用，提高煤氣使用效率，降低燃料比。據(jù)相關(guān)資料顯示：爐頂煤氣壓力每增加10 kPa，高爐入爐焦比可以降低1.7 kg/t；高壓操作后，爐內(nèi)煤氣壓力升高，體積縮小，流速下降，有利于改善煤氣分布，穩(wěn)定爐溫，提高冶煉強度并促進爐況順行。高壓操作對硅的還原不利，強化滲碳過程，利于低硅冶煉。隨著原燃料質(zhì)量的提高，料柱透氣性改善，特別是近年來爐頂設備裝備水平提高，為高爐高頂壓、高風壓操作奠定了基礎，1號、2號高爐的爐頂壓力分別從85 kPa提高到91 kPa、130 kPa提高到135 kPa。
7)實行低[Si]鐵冶煉。針對球團礦軟熔溫度較燒結(jié)礦低的特點，努力把生鐵含[Si]控制在0.3%～0.45%之間，高溫區(qū)下移，避免球團礦過早軟熔，實現(xiàn)軟融帶的厚度變窄，料柱的透氣性提高；爐缸的透氣性改善，促進高爐穩(wěn)定順行。
8)穩(wěn)定造渣制度。高爐爐渣二元堿度按1.18～1.20控制，MgO含量保持在8%～11%，MgO/Al2O3≥0.70。保持出鐵后期鐵水溫度在1500 ℃以上，保證渣鐵熱量充沛，流動性良好?？刂迫霠t原燃料成分，減少堿金屬Zn、Na、K等對煉鐵生產(chǎn)的不利影響，要求球團礦中(Na2O＋K2O)＜0.1%、ZnO＜0.05%。
3.2 豎爐生產(chǎn)高MgO球團礦，改善冶金性能指標
永通鑄管公司3座10 m2豎爐年產(chǎn)酸性氧化球團礦140萬t，球團礦作為高爐酸性爐料，具有品位高、粒度小而均勻、強度高、還原性好等優(yōu)點，提高球團礦入爐比例后，如高爐能夠保持穩(wěn)定順行，對高爐燃料比降低非常有利。但球團礦存在還原膨脹率高，軟化、熔滴溫度低等高溫冶金性能差等問題，特別是球團礦的荷重軟化溫度較低對高爐生產(chǎn)造成不利影響。通過添加MgO等措施，可以改善球團礦的冶金性能[3]，為高爐高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、降耗創(chuàng)造條件。
1)降低球團礦SiO2含量，提高球團生球強度和焙燒溫度。通過降低進廠鐵精礦中SiO2含量和優(yōu)化球團配礦結(jié)構(gòu)，球團礦SiO2含量控制在5.0%以下，減少球團礦在高爐內(nèi)還原時產(chǎn)生的渣量，并提高熔點。將原來直經(jīng)Φ4.2 m球團造球盤淘汰，改為直經(jīng)Φ6 m的造球盤，改善成球條件，生球粒度區(qū)間由原來按Φ8 mm～Φ16 mm改為按Φ8 mm～Φ14 mm控制，提高球團生球粒度均勻性和強度，還將豎爐球團焙燒溫度由原來的1050 ℃提高至1100 ℃以上，為成品球團礦強度的提高創(chuàng)造條件。
2)提高豎爐球團礦MgO含量。 優(yōu)化配礦使豎爐球團礦中的MgO含量提高到2.5%以上，MgO/SiO2 控制在0.3以上。添加MgO兩種辦法：
4.2 高爐爐況順行穩(wěn)定、煤氣利用改善，實現(xiàn)低硅冶煉和增產(chǎn)節(jié)能
1)爐況順行穩(wěn)定、煤氣利用改善。通過強化球團礦高比例入爐操作方面的探索研究，裝料、送風、造渣等各項冶煉制度改進，高爐操作優(yōu)化，實現(xiàn)爐況順行穩(wěn)定和煤氣合理利用。高爐崩料、塌料、坐料次數(shù)明顯降低，大的爐況事故基本消除。2011年～2014年1號、2號爐況失常情況如圖3、圖4所示。
2)實現(xiàn)低硅冶煉。通過高風溫操作、高頂壓操作等措施為低煉硅冶煉創(chuàng)造良好條件，煉鐵生產(chǎn)實際表明：渣鐵溫度升高、流動性明顯改善。實行低硅冶煉以后，生鐵Si平均含量已從原來的0.54%下降到0.38%，下降了0.16百分點；S含量穩(wěn)定在0.023%。低硅冶煉為高爐使用全風溫奠定了基礎，高爐使用全風溫操作后，風溫比原來提高了30 ℃～40 ℃。
3)生鐵產(chǎn)量增加。球團礦、燒結(jié)礦冶金性能改善有利于高爐冶煉時爐內(nèi)形成合理的軟熔帶，充分滿足高爐強化冶煉要求。兩座高爐煉鐵利用系數(shù)平均由原來的3.23 t/(m3·d)提高到3.59 t/(m3·d)，生鐵產(chǎn)量提高約10%。
4)促進高爐節(jié)能降耗。焦丁的配加從2012年噸鐵平均28 kg/t鐵，提高到目前的40 kg/t鐵以上，綜合燃料比從年平均540 kg/t鐵下降到492 kg/t鐵，下降了48 kg/t鐵，在煉鐵指標改善的同時取得了顯著的經(jīng)濟效益。20012年～2014年6月高爐綜合燃料比折線如圖5所示。
4.3 豎爐高MgO球團礦質(zhì)量提高，冶金性能實現(xiàn)質(zhì)的提升
1) 球團礦成份改善、抗壓強度提高。優(yōu)化配礦后球團礦品位提高、SiO2含量控制在5.0%以下，成品球團礦抗壓強度＜1000 N的比例降至10%以下，＞2200 N的比例提高至80%以上。高MgO球團礦與普通酸性球團礦化學成分指標對比見表1。
2)高MgO球團礦冶金性能實現(xiàn)質(zhì)的提升。豎爐球團礦中MgO含量提高到2.5%以上，MgO/SiO2 大于0.3，高MgO酸性球團同普通酸性球團礦相比軟化、熔融溫度提高，軟融區(qū)間變窄，高溫還原度提高，抑制球團礦在高爐內(nèi)的異常膨脹和還原粉化和改善高爐料柱透氣性。球團礦高溫性能大大改善,爐渣中MgO含量提高，渣鐵流動性改善，爐況穩(wěn)定順行。高MgO球團礦與普通酸性球團礦冶金性能指標對比見表2。
4.4 燒結(jié)礦產(chǎn)量提高，冶金性能改善促進了高爐操作穩(wěn)定
1)燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量提高。 燒結(jié)機擴容改造后燒結(jié)車間開發(fā)應用各種先進工藝技術(shù)，優(yōu)化配礦，強化工藝參數(shù)控制，產(chǎn)量增加約10%。高堿度燒結(jié)礦生產(chǎn)應用小球團燒結(jié)法先進工藝，生產(chǎn)的小球團燒結(jié)礦兼具燒結(jié)礦和球團礦的特點，礦相結(jié)構(gòu)是以鐵酸鈣為主要粘結(jié)相的交織熔蝕結(jié)構(gòu)，外形為不規(guī)則的的小球集合體，優(yōu)化后燒結(jié)礦ISO轉(zhuǎn)鼓指數(shù)達到77%，燒結(jié)礦粒度組成明顯改善，綜合返礦率由原來的22.6%下降到19.5%。高爐操作穩(wěn)定性大大增強。
2)燒結(jié)礦冶金性能改善。燒結(jié)礦MgO含量由1.0%提高并穩(wěn)定在2.0%左右，MgO抑制Fe3O4在冷卻過程中再氧化成Fe2O3，大大降低燒結(jié)礦的低溫還原粉化率(12.08%)；改善了燒結(jié)礦的高溫冶金性能，具有品位高(54%)，還原性好(84.5%)，F(xiàn)eO低(8.5%)，熔融帶厚度薄(只有15.5 mm)等特點[5]，提高了冶煉時爐內(nèi)的透氣性和爐渣的流動性、穩(wěn)定性，高爐實現(xiàn)了低硅冶煉和增產(chǎn)節(jié)能。優(yōu)化前、后燒結(jié)礦化學成分對比如下見表3。
5 結(jié)語
永通鑄管公司大幅提高球團礦入爐比例后，通過改善入爐球團礦和燒結(jié)礦冶金性能、改進冶煉制度、優(yōu)化高爐操作等措施提高爐內(nèi)透氣性和爐渣的流動性、穩(wěn)定性，對高爐低硅冶煉和增鐵節(jié)能具有重要作用，煉鐵技術(shù)經(jīng)濟指標提高明顯。其高比例球團礦高爐煉鐵實踐經(jīng)驗、措施可供同類型或相似生產(chǎn)條件的煉鐵生產(chǎn)企業(yè)借鑒。
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